眼动实验中的操作和数据统计

周鹏生

摘 要:在心理与教育研究中,眼动实验是探讨心理内部机制的一种重要的实验手段。眼动实验中,不同的眼动仪有不同的实验操作要求和数据处理软件。以ASL 504眼动记录仪为例,结合四卡片推理研究说明如何进行眼动实验操作、数据输出、管理和数据的统计。

关键词:眼动实验 操作 统计分析

在心理与教育研究中,大多数涉及视觉呈现的课题都有可能采用眼动实验进行研究。眼动实验法受到追捧是因为它能够更好地体现了心理与教育实验的生态学效度。它是探讨心理内部机制和进程的一种重要实验方式[1]。如认知心理与教育中对语言感知和理解的研究、问题解决的研究[2],广告心理与教育中对网页知觉、对用户的认知的研究,教育心理与教育中对课件风格认知的探讨等等,都可以通过眼动仪进行研究。但是目前基于眼动实验的研究均对眼动实验的操作和数据统计描述得很粗略,而有关指南主要通过外文描述,使需要重复或借鉴的研究者往往难以进行参考。因此有必要对眼动实验的操作流程进行演示和说明,并对所得数据的处理方法进行讨论。这也是本文所要呈现的内容。现以美国应用科学实验室(ASL)的Eye-tracker 504眼动记录仪为例,结合我们所做的4卡片问题研究说明眼动实验中如何进行操作和数据统计。

一、眼动实验的操作

1.眼动实验系统的基本构成

眼动仪系统通过加工来自红外线瞳孔摄像机的眼睛视频信息,来识别和确定瞳孔中心和角膜反射点之间的距离变化。从眼球运动的机制来说,眼球运动的范围约为18度,超过12度时就需要头部运动的帮助了[3]。两个眼球的活动是很协调的,它们总是向同一方向运动。当头部固定不动时,用两眼追踪一个出现在偏左或偏右前方的物体时,两眼的运动程度有差异,但这种差别是极微小的。所以,许多眼动仪往往仅记录1只眼球(一般是左眼)的运动轨迹。

美国应用科学实验室(ASL)生产的504型眼动仪由以下部件组成:模型6000眼动追踪系统、头盔(上嵌眼睛摄像头)、2台视频监视器(1台监视眼睛瞳孔图像,另1台监视研究图像)和相关的连接电缆。该眼动仪可实现对数据的实时记录,生态学效度较高。其中,眼睛摄像头包括了1个瞳孔摄像机和红外线光源的金属箱。相关的连接电缆是指将模型6000控制单元与微型计算机、头盔和2台监视器相连接的电缆。头盔上的摄像机分别通过模型6000眼动追踪系统控制单元与2台监视器相连,其所摄取的内容被输送到2台监视器上。微型计算机与模型6000眼动追踪系统控制单元相连,实现对数据的记录和输出。眼动仪与2台计算机相连。1台用来呈现实验刺激材料,另1台用来执行命令和处理数据。

2.眼动实验的基本操作

实验中有2名主试人。1名主试人负责操作眼动仪,另1名主试人负责呈现实验材料,宣读指导语并记录被试人的口语报告。先让被试人坐在距离计算机显示器80cm处的椅子上,由于此眼动仪为头盔式,并且仅安装左眼摄像而不是双眼摄像,很容易发生重心偏移,因此要用固定架将被试人头部相对固定,然后进行眼动仪校准。

具体校准方法。主试人先调节附于头盔上的反视镜,使角膜反射点(黑色“+”字交叉点)和瞳孔反射点(白色“+”字交叉点)能清晰地显示在瞳孔监视器上,且这两个反射点都必须在瞳孔的圆圈图像之内。如果两个黑白“+”字有颤动,说明还不稳定,要通过ASL软件系统的微调功能进行微调,直到它们稳定地呈现在瞳孔监示器上。第二步是要求被试人面对呈现9个圆点的电脑屏幕,被试人的眼睛与屏幕正中央的圆点5要处在同一个水平面上,能够轻松看到含有圆点1、2、3的上排和7、8、9的下排。主试人在与眼动仪相联的计算机上直接操纵这9个点的坐标,要求被试人对着屏幕配合主试对9个点逐个进行校准。

实验指导语可由系统呈现,也可由主试人呈现。先让被试人进行练习,准备实验。要求被试人在实验过程中尽可能保持头部不动。一般在呈现的这些页面中可以插入形似“+”的掩蔽刺激,使被试一直能够把目光集中在页面中央。当确认被试人正确理解指导语后再进行正式实验。被试人按系统默认的A键翻页,眼动仪在被试人按键时开始记录,最后一次按键表明任务完成,与此同时眼动仪停止记录。

实验过程中有几种情况会导致瞳孔数据记录的缺失,如高度近视,眼球震颤幅度大;眨眼次数过多;视野丢失或漂移,即被试人的注视点超出了眼动仪的捕获范围。实验后分析数据时,先检查所有被试人的瞳孔取样记录,删除一些眨眼次数过多时间过长和视野丢失较大的无效样本,以保证数据的准确性。

3.眼动实验数据输出

实验结束后,将数据保存到指定的文件夹。要注意的是,一定要使源文件名称、时间、属性等保持不变,如果随意变化,会给分析系统自动搜寻原图片中眼动轨迹带来非常大的麻烦。有时为了分析的方便,可能会将数据存放到另外的路径,但是这样做的结果是,在分析时又得重新定标,比较麻烦;因此要处理数据一定要在同一台电脑中完成,千万不要在几台电脑中处理,以免造成不必要的重复工作。

定标第一步——图像位置的确定。由于实验中呈现的图像不止一张,因此先要查看实验图像在第几张位置上,每一个被试的实验图像位置可能因为操作时的误差而有差异。定标时,一般是要先输入第n张,再输入第n+1张,如第13号被试,第2张图片在第3张位置上,应该先输入3,再输入4才行。如果是最后一张图像的定标,应该先输入该张图像的位置号,再输入实验中第一张图像的位置号。

定标第二步——确定坐标。当图像确定后,就需要确定坐标值。以图像监视器中显示的图像为标准,将“+”字放在事先预定的位置上点击,则在软件系统中弹出对话框,自动显示坐标中X和Y的值。在一张图像上需要两个坐标值,即两个X、Y值。这几个值需要记录下来,在数据输出时还要用到。

眼动实验中兴趣区的眼动数据是如何输出的呢?下面是主要的步骤,不同的系统软件可能有一些差异。

(1)“开始”→“所有程序”→ASL Tracker 6000→下拉菜单“Fixation plotting”;

(2)“Tools” →Input AOI→在图片上框定兴趣区→在弹出的对话框中命名,如“条件句.aoi” →OK;File→Save as aoi→输入相同文件名保存;

(3)打开ASL Tracker 6000,按照要求进行相应的处理后通过“Export to excel”进入Excel文件,选中需要的一行数据,复制后导入SPSS文件。

二、眼动实验数据的统计和处理

当眼动数据输入SPSS软件后要进行数据管理和统计。先要确认自己需要的眼动指标是哪些,再根据情况进行统计。一般情况下,ASL Tracker 6000分析系统能够提供的有关兴趣区的数据主要有以下几个:注视时间、相对注视时间、注视次数、相对注视次数、平均注视时间、平均眼跳时距、平均眼跳距离、平均瞳孔直径(如下表所示)。其中相对注视时间是指在兴趣区中的注视时间占总体注视时间的百分数;相对注视次数是指在兴趣区中的注视次数占总体注视次数的百分数;平均注视时间是指每个注视点平均所用的时间;眼跳距离是反映阅读知觉广度的一个指标,单位是度[4]。

注:时间单位为秒,相对注视时间和相对注视次数单位为百分数,眼跳距离单位为度,瞳孔直径为mm。下同。

需要引起注意的是,眼动分析中,某个单一的指标很难有研究价值,应该根据研究的需要对特定区域选择不同的指标进行深入分析;另外还要根据自己的实验特点和实验目的选择两个以上眼动指标进行分析。

以我们的研究为例。我们曾尝试利用眼动仪来研究4卡片推理,这一推理的经典形式为:给被试呈现4张卡片,每张正反两面都是一面标有前件的情况(肯定或否定),另一面标有后件的情况(肯定或否定)。被试的任务是选择符合“如果p,那么q”这一条件命题的卡片。正确反应是选择卡片p和卡片q。研究将重点探讨不同性质材料对4卡片推理条件句理解时产生的影响。实验设计为2(材料性质)×2(答题正误)×2(专业)的三因素混合实验。实验完成后,要进行数据统计。一般容易出现的误区是,仅统计平均数和标准差,而对其他集中量数不予理睬。但这些集中量数可以反映比较可靠的信息。如可以统计注视次数的众数,以避免极端值;而对于注视时间和瞳孔直径,可统计最大值和最小值,以剔除极端值或者发现某种特殊性。

在做推断统计时,不仅要对兴趣区内的数据进行比较,还要对不同兴趣区的同类数据进行比较。同一兴趣区的数据可作为因变量,按实验设计中的自变量进行多因素方差分析。这里要注意的是,当因变量不止一个时,需要考察变量之间的相关性,如果在理论上相关程度不密切,那么最好单独进行分析,否则得出的结果无法准确说明问题。

先同时考察材料性质、回答正误类型和专业这三个因素。在SPSS统计软件的Analyze菜单中打开“General Linear Models”子菜单,从中选择Univariate命令,打开多因素方差分析主窗口。将“注视时间”变量移入Dependent框,作为因变量;将材料性质、回答正误类型和专业这三个因素移入Fixed Factors框,作为自变量。输出结果发现,三因素主效应都不显著;根据F值的大小分析各因素的贡献,从大到小依次为:专业、材料性质、正误类型。除了注视时间外,还可以将注视次数等作为因变量。当同时考察三个因素时,需要考虑三个因素之间的交互作用,这是因为材料性质、正误类型和专业因素会同时作用于被试的眼动指标,如实验得到的注视时间不同某个因素单独作用的结果,而是它们共同作用的结果。由此来看,不管是哪种统计方法,都会涉及到严密的实验设计。按照实验设计来处理数据,所得到的结果才能证明或者推翻假设。

除了考察同一兴趣区的眼动指标外,根据需要我们可以考察不同兴趣区同一眼动指标之间的差异。在考察了自变量对因变量的作用后,有时还需要了解相同指标在不同组之间的差异;一般情况下,当所比较的组超过3组时,可以通过“Least significant difference”(即LSD)进行组间成对平均值的比较。这可以通过t检验直接完成,也可以通过多因素方差分析方法中“Post Hoc”功能间接实现。

三、结束语

在眼动实验中,除了符合实验法的基本要求外,还有眼动实验室的具体要求。研究者除了准备好一份完整的实验设计外,还要严格按操作规程,有步骤有顺序地完成实验。实验完成后,需要即时进行数据处理,不能拖延时间。数据处理也要按实验前的设计进行,不能随意化。总之,如果眼动实验操作符合规范,数据处理也符合描述统计和推断统计的要求,那么要得出一个合乎逻辑、说服力强的结论是没有什么问题的。

参考文献

[1]姚海娟,沈德立.启发信息对个体顿悟问题解决影响的眼动研究[J].心理与行为研究2006,4(3): 207-212

[2]Grant E R, Spivey M J. Eye movements and problem solving[J]. Psychological Science, 2003, 14(5): 462-466

[3]邓铸.眼动心理与教育的理论、技术及应用研究[J].南京师大学报(社会科学版),2005,(1):90-95

[4]赵新灿,左洪福,任勇军.眼动仪与视线跟踪技术综述[J].计算机工程与应用,2006,(12):118-120